금오공과대학교 일반물리학실험 금속의 선팽창 예비+결과보고서

본 내용은 " 금오공과대학교 일반물리학실험 금속의 선팽창 예비+결과보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.03.18

문서 내 토픽

• 1. 금속의 선팽창

  금속에 열을 가하면 원자 진동의 평균진폭이 커져서 원자 간의 평균 거리가 커진다. 이를 실험으로 알아보고 또한 선팽창계수를 측정한다. 대부분의 물체는 온도가 상승함에 따라 그 물체를 형성하고 있는 분자들의 열 운동에 의해 팽창한다. 따라서 금속막대는 열을 받으면 그 길이가 늘어날 것이다. 여러 개의 금속막대를 이용하여 열에 의한 선팽창계수 alpha 의 값을 측정할 수 있다.

• 2. 선팽창계수 측정

  금속막대의 0℃의 길이를 L0라 하면, 온도에 따라 그 길이가 변하므로 t℃에서 이 막대의 길이 L은 L=L_{0} (1+ alpha t+ beta t^{2} + gamma t^{3} + CDOTS )으로 나타낼 수 있다. 여기서 alpha , beta , gamma , CDOTS 는 물질의 특성에 관계되는 매우 작은 값의 상수이다. 그러나 beta 이하의 항은 alpha 에 비해 매우 작아서 측정하고자 하는 온도범위 내에서는 무시할 수 있다. 따라서 위의 식은 L=L_{0} (1+ alpha t)또는 alpha = {L-L_{0}} over {L_{0} t}이 된다.

• 3. 실험 방법

  1. 금속 막대를 선팽창 실험 장치에 연결한다. 2. 다이얼 게이지와 시료가 잘 닿았는지 확인하고 다이얼 게이지의 영점을 조절하도록한다. 3. 워터 베스에 물을 4리터 정도 채운 후 선 팽창 실험 장치와 실리콘 관으로 연결한다. 4. 이머전 워터베스의 온도 조절기를 40~90DEG C로 변경 설정하고 전원을 켠다. 5. 잠시 후면 다이얼게이지의 눈금이 증가할 것이다. 디지털온도계의 온도에 따른 다이얼게이지의 눈금을 읽는다. 6. 원하는 온도가 되면 다이얼 게이지의 눈금을 읽는다. 7. 워터베스의 물을 교체한 후 다른 시료를 선택하여 위의 과정을 되풀이하여 선팽창 계수를 측정한다.

• 4. 실험 결과

  알루미늄 시료: {TRIANGLE L} over {TRIANGLE T}=0.0144, l_{0=}600mm, alpha=±2.4*10^{-5} 황동 시료: {TRIANGLE L} over {TRIANGLE T}=0.0123, l_{0=}600mm, alpha=±2.05*10^{-5} 구리 시료: {TRIANGLE L} over {TRIANGLE T}=0.0094, l_{0=}600mm, alpha=±1.57*10^{-5} 철 시료: {TRIANGLE L} over {TRIANGLE T}=0.0069, l_{0=}600mm, alpha=±1.15*10^{-5}

• 5. 결론 및 검토

  알루미늄 선팽창 계수=2.4*10^{-5}±0 황동 선팽창 계수=2.05*10^{-5}±4.88*10^{-7} 구리 선팽창 계수=1.57*10^{-5}±2.95*10^{-7} 철 선팽창 계수=1.15*10^{-5}±4.80*10^{-7} 실험실 내부 온도, 실험실 외부 환경으로 인한 실험실 내부 환경 변화 등등 미세한 변수로 인해서 오차값이 발생할 것이다.

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• 1. 금속의 선팽창

  금속의 선팽창은 온도 변화에 따른 금속의 길이 변화를 의미합니다. 이는 금속 원자 간의 결합 거리가 온도 상승에 따라 증가하기 때문에 발생합니다. 선팽창 현상은 금속 제품의 설계, 제조, 사용 등 다양한 분야에서 중요한 요소로 고려됩니다. 예를 들어 교량, 건물, 기계 부품 등에서 온도 변화에 따른 길이 변화를 고려하여 설계해야 합니다. 또한 금속 제품의 제조 과정에서도 선팽창 특성을 고려해야 하며, 사용 중에도 온도 변화에 따른 변형을 예측하고 대응해야 합니다. 따라서 금속의 선팽창 특성을 정확히 이해하고 측정하는 것은 매우 중요합니다.

• 2. 선팽창계수 측정

  선팽창계수 측정은 금속의 선팽창 특성을 정량적으로 파악하기 위한 중요한 실험입니다. 일반적으로 시편의 길이 변화를 온도 변화에 따라 측정하여 선팽창계수를 계산합니다. 이때 정확한 길이 측정과 온도 제어가 필수적입니다. 정밀한 길이 측정을 위해 레이저 간섭계, 변위계 등의 첨단 장비를 사용하며, 온도 제어를 위해 정밀한 온도 챔버나 가열로를 활용합니다. 또한 시편의 재질, 형상, 크기 등 다양한 요인을 고려하여 실험 조건을 설계해야 합니다. 이를 통해 금속의 선팽창 특성을 정확히 파악하고, 이를 실제 제품 설계에 반영할 수 있습니다.

• 3. 실험 방법

  금속의 선팽창 특성을 측정하는 실험 방법은 다음과 같습니다. 먼저 시편을 준비하고, 정밀한 길이 측정 장비를 이용하여 초기 길이를 측정합니다. 그 다음 온도 변화에 따른 길이 변화를 측정합니다. 이때 온도 변화는 일정한 속도로 이루어져야 하며, 온도 센서를 이용하여 정확한 온도 데이터를 확보해야 합니다. 길이 변화와 온도 변화 데이터를 바탕으로 선팽창계수를 계산할 수 있습니다. 이 과정에서 시편의 재질, 형상, 크기 등 다양한 요인을 고려해야 하며, 실험 환경 조건도 엄격히 통제해야 합니다. 이를 통해 신뢰할 수 있는 선팽창계수 데이터를 얻을 수 있습니다.

• 4. 실험 결과

  금속의 선팽창 실험 결과는 다음과 같이 요약할 수 있습니다. 첫째, 온도 변화에 따른 길이 변화 곡선은 대체로 선형적인 관계를 보입니다. 이를 통해 선팽창계수를 계산할 수 있습니다. 둘째, 금속의 종류에 따라 선팽창계수가 다르게 나타납니다. 일반적으로 알루미늄, 구리, 철 등의 금속은 선팽창계수가 크며, 스테인리스강, 티타늄 등은 상대적으로 작습니다. 셋째, 동일한 금속이라도 결정 구조, 불순물 함량, 열처리 등에 따라 선팽창계수가 달라질 수 있습니다. 넷째, 온도 범위에 따라 선팽창계수가 변화할 수 있으며, 이는 금속의 상변화 등 복잡한 물리적 현상과 관련됩니다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 금속 제품의 설계, 제조, 사용 등에 활용할 수 있습니다.

• 5. 결론 및 검토

  금속의 선팽창 특성 연구는 다양한 산업 분야에서 매우 중요한 주제입니다. 정확한 선팽창계수 측정을 통해 금속 제품의 설계, 제조, 사용 등에 필요한 데이터를 확보할 수 있습니다. 이를 위해 시편 준비, 길이 및 온도 측정, 데이터 분석 등 실험 방법을 체계적으로 수행해야 합니다. 또한 금속의 결정 구조, 불순물, 열처리 등 다양한 요인을 고려하여 선팽창 특성을 종합적으로 이해해야 합니다. 향후에는 고온, 저온 등 극한 환경에서의 선팽창 특성 연구와 함께 신소재 개발에 따른 선팽창 특성 분석 등 다양한 연구가 필요할 것으로 보입니다. 이를 통해 금속 제품의 성능 향상과 신뢰성 확보에 기여할 수 있을 것입니다.